弧形鋼閘門支承鋼梁橫向加勁肋布置研究

肖 陽， 李守義, 2， 劉計良,2， 楊 勇， 張紫璇， 李 浪

(1. 西安理工大學 水利水電學院， 陜西 西安 710048； 2.西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點實驗室， 陜西 西安 710048)

1 研究背景

弧形鋼閘門支承體形式主要為鋼筋混凝土錨塊式和鋼筋混凝土深梁式[1]。鋼筋混凝土錨塊式支承形式存在著受力鋼筋多、不易布置、在閘墩頸部出現較大的拉應力且支鉸定位精度不易控制等缺點；鋼筋混凝土深梁式支承形式雖然整體穩(wěn)定性能好、剛度大，但工程量大，且有在閘墩頸部出現較大拉應力的缺點。為了克服上述缺點，大型弧形鋼閘門的支承體采用薄壁鋼梁結構，其具有結構形式簡潔、力的傳遞路徑明確、施工裝配更加準確快速，可減少閘室空間，節(jié)省工程量并能有效改善閘墩受力性能的優(yōu)點。

支承鋼梁的安全直接關系到弧形閘門的正常運行。與建筑結構的支承鋼梁不同，弧門支承鋼梁由于要承擔巨大的水推力及錨索預應力，因而設計具有合理結構形式的弧門支承鋼梁至關重要。目前，國內外諸多學者對鋼梁的力學性能都進行了深入研究[2-8]，加勁肋是保證鋼梁局部穩(wěn)定性及改善強度和剛度的重要構件，目前對鋼梁力學性能的研究中不乏對加勁肋的深入分析。Maiorana等[9]研究了各種受力狀態(tài)下橋梁腹板縱向加勁肋的線性屈曲，并提出具有實用價值的形狀和優(yōu)化位置方案。Perchikov[10]利用加勁板撓度場表達式的漸近展開式，推導出了高柔性和高剛性加勁板的全局最優(yōu)加勁布局。Liu等[11]選取里茲能量法得到組合梁受旋轉約束支承影響的縱向加勁肋臨界剛度和最優(yōu)位置的計算公式。Zhang等[12]推導出矩形加筋板在非均勻荷載作用下的局部屈曲非線性特征方程，并指出縱向加勁板的最優(yōu)設置位置。石雪飛等[13]研究了加勁肋布置對工字鋼組合梁橋結構性能的影響。

上述成果大多集中于建筑鋼結構方面，而對弧門支承鋼梁合理布置方面的研究較少，目前《鋼結構設計標準》(GB50017-2017)僅規(guī)定橫向加勁肋的最小間距為0.5h0，最大間距為2h0(h0為腹板高度)[14]，而橫向加勁肋構造形式及其間距的不同都會影響到支承鋼梁的力學性能[15]，因此，有必要對弧門支承鋼梁橫向加勁肋布置進行詳細的分析，避免在設計中造成不必要的浪費或不安全。針對這一問題，本文結合工程實例通過對比分析多種橫向加勁肋間距的支承鋼梁的應力分布規(guī)律，得出支承鋼梁橫向加勁肋間距的合理布置區(qū)間，為弧門支承鋼梁的設計提供參考。

2 計算模型

為了研究支承鋼梁橫向加勁肋合理布置問題，本文以某工程大型弧形閘門支承鋼梁作為研究對象進行分析。該工程閘壩結構堰頂高程50.0 m，兩孔閘門孔口尺寸均為9.0 m×17.0 m(寬×高)，鋼梁作為弧形工作閘門的支承體，采用預應力錨索固定鋼梁。支承鋼梁采用Q345鋼，梁高3.7 m，跨度15.0 m，鋼梁結構圖如圖1所示。閘門擋水狀態(tài)時單側弧門推力為P=28 000 kN。中墩厚度5.0 m對稱布置30束錨索，邊墩厚度4.0 m布置20束錨索，單束錨索永存噸位4 000 kN。

運用ANSYS有限元軟件建立三維模型見圖2、3，有限元模型共計251 374個單元，196 138個節(jié)點。采用solid65實體單元模擬預應力閘墩和地基，閘墩選用C30混凝土，彈性模量為30.0 GPa，混凝土容重為24.0 kN/m3，泊松比μ為0.17。采用shell181單元模擬鋼梁結構，支承鋼梁選用Q345鋼，彈性模量為206.0 GPa，鋼材容重為78.5 kN/m3，泊松比μ為0.3。采用link8單元模擬預應力錨索結構，預應力錨索選用1×19S-17.8-1770鋼絞線，鋼絞線公稱面積為208 mm2，彈性模量為195.0 GPa，鋼絞線容重為79.4 kN/m3，泊松比μ為0.3。

基礎底面固結，基礎四周法向約束，閘壩上下游、頂部及左右橫縫面均按自由邊界處理。

計算模型應用的坐標系為：坐標原點在左邊墩外側上游底面，閘室軸線方向為X軸方向，向右岸為正；水流方向為Y軸方向，向下游為正；沿高度方向為Z軸方向，向上為正。

3 加勁肋的合理布置

鋼梁的局部穩(wěn)定性是指當壓應力或剪應力達到鋼材的臨界應力時，鋼梁翼緣或腹板會突然偏離原有的平面位置而發(fā)生顯著的波形屈曲，鋼梁即喪失局部穩(wěn)定性[16]。

為探索支承鋼梁橫向加勁肋的合理布置間距，針對控制工況在滿足局部穩(wěn)定性的條件下，設置5類加勁肋間距布置方案并進行對比分析。為便于研究，各方案均假定僅有橫向加勁肋間距變化而鋼梁其他結構形式均不改變，分別計算分析控制工況下各設計方案支承鋼梁的力學性能。

各方案支承鋼梁橫向加勁肋間距設置如下。

方案1： [1/2，1)h0；方案2： [1/3，1/2)h0；方案3： [1/4，1/3)h0；方案4： [1/5，1/4)h0；方案5： [1/6，1/5)h0。其中，h0為腹板高度。

為便于分析，建立局部直角坐標系，以梁橫截面的寬度方向為X軸，上腹板指向下腹板方向為正；梁軸線方向為Y軸，向右岸為正；梁橫截面的高度方向為Z軸，下翼緣指向上翼緣方向為正。

3.1 強度分析

不同方案支承鋼梁各構件絕對值最大的應力計算結果見表1。

圖1 某工程弧形閘門支承鋼梁結構圖(單位：mm)

圖2整體有限元模型 圖3支承鋼梁有限元模型

表1 不同方案支承鋼梁各構件應力值 MPa

注：切應力正負號代表方向，遵循彈性力學中切應力正負號規(guī)定。

分析表1數據可知，方案1的支承鋼梁翼緣及橫向加勁肋最大應力已超過鋼材允許應力(205 MPa)，不滿足規(guī)范要求[17]。隨著支承鋼梁橫向加勁肋間距的縮小，支承鋼梁上、下翼緣的應力值明顯減小，且上翼緣的應力值均大于下翼緣的應力值。橫向加勁肋間距從 [1/2，1)h0縮小至[1/6，1/5)h0時，上翼緣第一主應力降低64.3%，Mises應力(等效應力)降低61.9%，下翼緣第一主應力降低65.7%，Mises應力降低45.5%，可見改變支承鋼梁橫向加勁肋間距能有效改善其上、下翼緣應力。

隨著支承鋼梁橫向加勁肋間距的縮小，支承鋼梁腹板的應力值有減小趨勢但變化不明顯。橫向加勁肋間距從 [1/2，1)h0縮小至[1/6，1/5)h0時，腹板第一主應力降低5.3%，Mises應力降低12.2%，切應力降低9.4%，可見改變支承鋼梁橫向加勁肋間距對改善支承鋼梁腹板應力影響較小。

隨著支承鋼梁橫向加勁肋間距的縮小，支承鋼梁橫向加勁肋的應力值減小明顯。橫向加勁肋間距從 [1/2，1)h0縮小至 [1/6，1/5)h0時，橫向加勁肋第一主應力降低55.4%，Mises應力降低55.3%，切應力降低56.8%，可見改變支承鋼梁橫向加勁肋間距能有效改善鋼梁橫向加勁肋應力。

比較各個方案下支承鋼梁各構件應力值，繪制不同加勁肋間距各構件絕對值最大的應力變化圖，見圖4～6。

由圖4～6可知，縮小橫向加勁肋間距能有效改善支承鋼梁上、下翼緣及橫向加勁肋的應力，但對腹板應力影響很小，是由于橫向加勁肋主要是保證腹板的局部穩(wěn)定性。橫向加勁肋間距為 [1/3，1/2)h0時，支承鋼梁的應力最接近鋼材容許應力，此時材料的性能得到最大程度的發(fā)揮，達到最優(yōu)結構性能。

3.2 剛度分析

考慮鋼梁的實際受力情況，主要分析其沿順水流方向的撓度。梁的撓度由其軸線的位移來確定，但是由于支承鋼梁結構非常復雜，通過確定梁軸線位移的方式來確定撓度非常困難，對于此類型的鋼梁，通?？捎缮弦砭壍奈灰苼泶_定撓度。考慮到鋼梁自身以及與閘墩的變形協(xié)調的問題，取上翼緣端部順水流方向的位移u0為梁端位移，取上翼緣跨中順水流方向的位移u1為剛度驗算點的位移，則鋼梁順水流方向的最大撓度為：

umax=|u1-u0|

(1)

支承鋼梁橫向加勁肋間距與鋼梁最大撓度的關系曲線見圖7。

圖4不同加勁肋間距各構件第一主應力變化圖 圖5不同加勁肋間距各構件Mises應力變化圖

圖6不同加勁肋間距各構件切應力變化圖 圖7加勁肋間距與鋼梁最大撓度的關系曲線

圖8 方案2支承鋼梁各構件應力云圖

由圖7可知，隨著橫向加勁肋間距的減小，支承鋼梁最大撓度也不斷減小，且各方案計算的支承鋼梁撓度都能滿足規(guī)范規(guī)定的最小撓度要求。鋼梁橫向加勁肋間距從 [1/2，1)h0縮小至 [1/6，1/5)h0時，鋼梁最大撓度從2.45 mm減至1.85 mm，降低了24.5%，可見縮小加勁肋間距能有效降低鋼梁撓度。由于橫向加勁肋間距為 [1/6，1)h0時支承鋼梁均能滿足規(guī)范規(guī)定的最小撓度要求，故結合其強度要求，橫向加勁肋間距為 [1/3，1/2)h0時，支承鋼梁整體穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求，且鋼梁材料能夠發(fā)揮較優(yōu)結構性能。由于兩孔閘門支承鋼梁結構形式及工況相同，故僅給出單孔(左孔)鋼梁方案2的各構件Mises應力及切應力云圖見圖8。

由圖8可知，支承鋼梁上應力大致以鋼梁中心線為軸對稱分布，弧門支絞及預應力錨索位置的拉應力最大，腹板及橫向加勁肋大部分拉應力較小。

4 結 論

在保證穩(wěn)定性的前提下，通過改變支承鋼梁橫向加勁肋布置間距，分別對支承鋼梁的強度和剛度進行研究分析，得到以下結論：

(1)支承鋼梁橫向加勁肋間距對鋼梁翼緣和橫向加勁肋的應力影響明顯，對腹板應力影響不大，因此，可通過減小支承鋼梁橫向加勁肋間距改善翼緣及橫向加勁肋應力。

(2)支承鋼梁各構件應力大致以鋼梁中心線為軸對稱分布，其中弧門支絞和預應力錨索位置的拉應力最大。

(3)建議支承鋼梁橫向加勁肋間距為[1/3，1/2)h0，在此區(qū)間內鋼梁材料的性能得到充分發(fā)揮，支承鋼梁強度、剛度及穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求，兼具經濟性和合理性。本文建議的橫向加勁肋間距可為弧門支承鋼梁的設計提供參考。